Energia punctului zero este energia minimă pe care o poate avea un sistem cuantic. Aceasta nu înseamnă că sistemul este în repaus absolut, ci că se află în starea sa fundamentală, cea mai joasă energetic posibilă. Chiar și dacă un atom ar fi adus la cea mai mică temperatură posibilă, zero absolut, componentele sale nu ar putea fi în stare de repaus absolut, ci încă s-ar mișca, grației principiului incertitudinii al lui Heisenberg.
Se poate vorbi despre energia punctului zero în mai multe contexte, nu doar în context cuantic. Iată câteva exemple.
Energia punctului zero în cazul unui pendul
Dacă un pendul se află în mișcare, acesta are energie. Dar dacă este complet oprit, atunci spunem că are energia minimă posibilă. Aceasta este configurația specifică energiei punctului zero.
Sigur, pendulul încă mai are energie potențială, în sensul că dacă eliberezi greutatea care dă mișcarea pendulului, acesta va cădea pe sol, dacă pendulul se află, cum este regula, într-un câmp gravitațional.
Pe măsură ce ne apropiem de lumea cuantică, lucrurile devin mai interesante...
Energia punctului zero în cazul unor molecule
Energia punctului zero, în acest caz, reprezintă energia vibrațională pe care moleculele o păstrează chiar și în cazul în care acestea sunt răcite la cea mai mică temperatură imaginabilă (teoretică) - zero absolut.
→ Citește și: Ce este temperatura și care e diferența dintre căldură și temperatură
Temperatura în fizică este considerată o măsură a intensității mișcării moleculare aleatorii. Ar fi de așteptat ca, pe măsură ce temperatura scade spre zero absolut, mișcarea să înceteze complet, iar moleculele să fie în stare de repaus absolut. Dar, în fapt, mișcarea corespunzătoare energiei punctului zero nu dispare niciodată.
De ce stau lucrurile astfel? Energia punctului zero rezultă din principiile mecanicii cuantice. Dacă moleculele ar fi în stare de repaus (nu ar mai exista niciun fel de mișcare), atomii care le constituie ar putea fi localizați în mod precis și s-ar putea determina și viteza acestora.
Dar există un principiu al mecanicii cuantice care se opune ca unui obiect să i se poată determina valorile precise ale poziției și vitezei în mod simultan - principiul incertitudinii al lui Heisenberg. Ca urmare, moleculele nu pot fi niciodată în stare de completă nemișcare.
Energia punctului zero din vidul cosmic
Prin „vid cosmic” ori „spațiu gol” înțelegem acest spațiu din care a fost eliminat... tot ce se poate elimina. Materie, energie, tot.
Dar nu se poate elimina chiar tot ce există. Ca de exemplu câmpurile cuantice, care, cu excepția câmpului Higgs, au valoarea zero (când nu există excitații ale acestora, adică ceea ce numim particule elementare). Nu se poate elimina energia întunecată, orice ar fi aceasta (și nu știm ce este).
Dar dincolo de acestea, spațiul gol conține ceva denumit „spumă cuantică”. Ce este spuma cuantică?
Din nou, ca urmare a mecanicii cuantice (a principiului incertitudinii), la nivelul ultim (din ce cunoaștem azi) al realității există fluctuații continue ale câmpurilor cuantice, fluctuații cuantice care se manifestă sub forma unor așa-numite „particule virtuale” (care nu sunt particule în sensul în care numim particulă un electron sau un foton). Aceste fluctuații sunt cunoscute și sub denumirea de „spumă cuantică”.
Mai formal exprimat, spuma cuantică descrie structura fundamentală a spațiu-timpului la scara Planck. Este reprezentată de fluctuații ale spațiu-timpului care dau naștere la particule și antiparticule efemere, numite particule virtuale. Aceste particule apar și dispar într-un timp foarte scurt, împrumutând energie din energia punctului zero și apoi returnând-o. Acest proces este cunoscut și sub numele de „fluctuații cuantice ale vidului”.
Energia spațiului gol este energia punctului zero în acest caz.
A fost demonstrată experimental existența energiei punctului zero?
Unul dintre cele mai cunoscute experimente care demonstrează existența energiei punctului zero este efectul Casimir. Acesta, pe scurt, implică două plăci metalice neutre, fără sarcină, plasate foarte aproape una de alta în vid. În ciuda faptului că plăcile sunt neutre și nu există forțe electromagnetice între ele, acestea se atrag. Fizicienii consideră că această atracție este o consecință directă a fluctuațiilor câmpurilor cuantice, adică a energiei punctului zero.
Poate fi extrasă și folosită această energie a spațiului gol?
Extragerea energiei punctului zero, care, dacă ar putea fi extrasă, ar fi enormă, este un subiect de dezbatere în fizică.
Principiul conservării energiei sugerează că nu putem extrage energie din spațiul gol. Pentru a extrage energie, avem nevoie de un mediu cu o energie mai mică în care să o transferăm, iar energia punctului zero este deja energia minimă posibilă.
Practic, nu poți capta și muta spațiu dintr-un loc în altul (iar energia punctului zero din spațiul gol este, cum spuneam, energia intrinsecă spațiului gol).
Cu toate acestea, preocupări există pentru a încerca valorificarea energiei punctului zero. Cercetări recente încearcă să exploateze o caracteristică bizară a lumii cuantice, denumită inseparabilitatea cuantică (eng. quantum entanglement). Nu doar particulele elementare, dar și câmpurile cuantice pot fi corelate cuantic, în sensul că fluctuațiile vidului cuantic dintr-un loc sunt corelate cu cele din alt loc din spațiu. Un articol din 2023 din QuantaMagazine arată cum fizicienii cred că s-ar putea extrage energia punctului zero din spațiul gol.
Inspirat de Why zero-point energy is a scam
Imaginea - generată cu IA.
